1 前言
本文将基于STM32F4 Discovery板,从零开始设计并实现一个USB Audio的例子。

2 设计构思
$ R1 a" g4 ?2 F6 I所谓的USB AUDIO就是制作一个盒子，这个盒子可以通过USB连接到PC，PC端将其识别为Audio设备，然后在PC端播放音乐的时候，声音可以通过盒子播放出来。

9 |1 i* ~# s6 p# s! P( j2 b2.1 从原理框图开始
7 [* v( y* a; R. B! u
如上图所示,我们大概构思一下，为了实现USB AUDIO功能，我们使用一个MCU的USB外设连接PC端，整个流程是这样: PC端播放音乐时，代表音乐的数据流从PC端通过USB传输到MCU端，MCU端然后将其转发给一个外部Codec，最后通过Codec上连接的扬声器或耳机播放音乐。
* S2 r" o, i' N4 @' E- a
2.2 硬件支撑
8 s5 r# b' d/ ~这里选择ST官方的STM32F4-DISCOVERY板来实现，之所以选择这块板子，就是因为其上有USB接口和Codec，正好符合我们设计的要求。

2.2.1 USB接口
如下图为USB接口部分的电路：
- Y  V, V1 I6 n; F( t0 \' |
这个一个将USB作为OTG的电路设计，在本设计中，我们只是将USB作为device来使用，因此，上图我们关注下面部分就可以了。在本设计中，我们使用到全速USB，从上图可以看出D+与D-引脚分别为PA12，PA11。
4 F* s! v9 g3 Y6 h
2.2.2 Codec部分
' ~$ C) F/ W: m' W1 ^- n- T如下图所示:
9 M: `0 c0 L. Z3 p
如上图所示，这里的Codec为具体型号为CS43L22，MCU通过I2C接口(PB9,PB6)连接Codec，作为其控制接口，使用I2S(PC7,PC10,PC12,PA4)作为数据通道，此外，MCU使用PD4这个IO管脚控制Codec的reset。CS43L22的14,15脚连接到外面的耳机插孔，也就是说，我们可以通过插入耳机线的方式来收听PC端播放的声音。

2.3 软件设计
$ Q3 ~4 b/ p2 P4 ^7 K为了简化开发流程，这里使用CubeMx自动生成代码工具来生成初始化代码，首先基于Cube库架构以及USB协议栈的特点，我们得先设计一个合理的软件框架。
1 z, a: a7 i# a# D+ d
: M" ]9 m# i5 d- M* @) B/ R
如上图，蓝色表示的模块为标准模块，不需要我们去修改它，将由CubeMx自动生成，而绿色部分则可能涉及到需要修改，其中BSP部分是需要自己添加的代码，其他的都是由CubeMx生成。
: E% W' Z4 z. `/ s
& e  q6 b( y$ `6 C各个模块的工作流程如下设计:

" T5 M- N0 C. C+ U8 Q# Q5 b 初始化流程: 由main开始，它首先对将使用到的外设I2C，I2S初始化，这最终将调到HAL MSP底层部分实现对具体IO管脚和外设的初始化。同时main使用usb description的数据通过调用USB栈初始化接口来完成对USB接口的初始化，这一步还涉及到USB的枚举过程。
+ ], t5 B3 P9 ~, t9 U( P2 zUSB数据传输过程：PC端软件在播放音乐后，通过USB通道向MCU传输音频数据，音频数据到达MCU时，首先触发USB中断，然后进入到HAL driver层，在回调到 usb conf模块，接着进入到usb core，usb core再转给usb audio class，最后音频数据到达usb audio interface模块，到达这里，就只剩下对音频数据进行处理了。Usb audio interface模块是一个数据接收到数据处理的一个中间对接模块。
1 x3 z5 z# J7 T, ?USB音频数据处理过程: usb audio interface 模块将从USB stack底层传上来的音频数据转发给Codec组件，最终通过Codec组件连接的耳机播放出来。
7 G; c1 ~- E" C+ n* z; D从以上的音频数据流程来看，最主要的就是usbaudio interface模块，它实现了从USB audio stack到codec驱动的对接。

接下来，我们来看看软件层面上的实现。
5 O. {' T& |2 y% ?
1 D2 I( m4 t  _8 P2 ~3 软件实现
& c! A. a2 W9 X% k* M# l& ^还是老办法，采用CubeMx这个工具来生成初始化代码，这样可以节省我们花费在基本外设上的调试初始参数时间。
! O4 G8 A$ l  Q' e
. I, g" l& e. x" C3 N' ]  {) K5 x7 u3.1 创建CubeMx工程
7 @) V0 B5 v9 Z$ Y2 d由于我们使用到的硬件平台是STM32F4Discovery板，上面搭载的MCU型号是STM32F407VGT6，我们就以此型号创建一个名为Audio_Test的工程。

pinout:

外设有用到USB_OTG_FS(PA11,PA12device模式)，I2C1(PB6,PB9)，I2S3(PC12,PA4,PC10,PC7，半双工主模式),此外Codec的reset使用PD4管脚控制，使用外部8M HSE。其pinout如下图所示：
, w! A, u  g; |; Y$ g7 z

Clock configuration:
& ]5 g: _0 e9 C! n( `% `- s0 U
时钟树如上设置，主频使用168M，I2S时钟输出初始化为96M。

Configuration:

  HAL层：
Usb_FS：使用默认参数。

I2C：100K速率，7位地址宽度，使用默认参数。

I2S：主发模式，标准16位宽，默认音频为48K，如下图：
# c, g- Z. a4 _. p
并为I2S发送添加DMA，半字位宽:

7 z( o* B, m' m$ @- k
   MiddleWares:
4 o, }* I0 x" l
7 _% r3 D" t0 b, f+ [6 h1 iUSB选择Audiodevice class,其配置参数如下：
- N! a- g% ~5 h5 y# h- B' `. t& L
* v; v' S! u2 ?4 {; V
这里都是默认参数。
0 o( M8 I& \, R3 J
在描述符参数内得为usb audio class修改两个参数：

' c" Y+ }8 E* W8 jPID得修改为0x5730(否则windows驱动会加载出错)
序列号：序列号字符串内不能包含字母，只能是数据(否则windowsaudio驱动在枚举后也不会将音频数据传输下来)。
最后修改工程设置，将堆大小设为4K，栈大小设为1K，如下图：
4 }7 c) j$ }9 w" ?
如此就可以生成工程了，我们生成IAR工程。

3.2 生成的IAR工程介绍
; K# G$ J/ @2 y9 Y7 X
如上图所示，生成的IAR工程，主要有User,Drivers,Middleware3个目录。

User目录下为用户源码文件，用户的主要修改也将集中在此目录下，在这里，我们的主要工作是集中在usbd_audio_if.c文件，它对应着之前软件框图中的usbaudio interface模块，主要是实现USB audio协议栈与Codec的对接。其他源文件都保持不变就可以了。
( x# o' N! g" y( QMiddlewares目录对应着usb audio stack模块，它由CubeMx自动生成，保持原样就可以，不需要任何修改。
Drivers目录对应着HAL层，它包含CMSIS，HAL驱动。
6 r) x' W$ Z* \6 f
3.3 开发
6 ]2 D1 @" M' @. o3 h; C3.3.1 初次编译测试
& v0 L/ R9 C8 ]( v9 b) g首先我们不做任何修改，先编译一下工程，发现能顺利编译通过，并烧录进STM32F4DISCOVERY板，运行后通过USB连接上电脑，发现在设备管理器中能正常识别到这个USB AUDIO设备，如下图所示：
* M% p* |, f" p  r
. E. R6 Q3 |8 G" h4 B9 O这说明，USB与PC端的连接是OK的，但不知道具体有没有数据。我们使用USB分析仪TOTAL PHASE USB480这个设备对USB总线进行数据监控，能够正常采集USB枚举过程和播放音乐的通信数据，如下图所示：

- h  m- |& Y" ~; q. D这表明，到目前为止，从PC端到USB端都是能正常工作的，从PC端发送过来的音频数据已经到达usb audio interface模块，目前只不过还没有对这些数据进行处理，显然，接下来的工作，我们就需要将这些音频数据通过codec驱动发送出去，最终到达外部组件CS32L22.

! y. y% v& R0 A8 r3.3.2 添加codec驱动和audio bsp模块
: T/ I& K0 V* M3 `2 m* J  u5 I我们已经知道，我们需要为audio添加BSP模块，在这里，我们将BSP归属于drivers类，因此，在drivers目录下添加BSP目录，通过之前的软件架构图我们可以知道，BSP包含Codec驱动（CS43L22）和Audio bsp模块，因此，我们在BSP目录下有添加了Codec的驱动源码cs43l22.c与bsp_audio.c,如下图所示：
' A3 Q; {3 b  s6 A/ B) {
# E3 `3 }2 h( x7 t/ G, _  L) U5 E其中cs43l22.c为codec cs32l22的驱动，我们可以从ST的组件驱动中找到它，并copy过来直接使用，不需要修改任何代码。而bsp_audio.c是我们自己写的，它的任务是为usbd_audio_if.c与cs43l22.c提供服务，让这两个模块胜利对接。
/ g0 y/ m  b7 P% D2 k
3.3.2.1 Codec与HAL的对接
4 P$ u; c- e8 ]6 E' p首先我们来看Codec驱动文件cs43l22.c源文件，这个文件需要使用这个外部需要提供的接口：
$ i8 {# z1 ~' U9 E( G

1. [cpp] view plain copy
   
2. AUDIO_IO_Init()  
   
3. AUDIO_IO_DeInit()  
   
4. AUDIO_IO_Write()  
   " ]6 S# a( o$ T- A  z& j
5. AUDIO_IO_Read()  

复制代码

这个都是Codec的基本控制接口，是通过I2C来控制的。都是需要用户在驱动外部来提供这些接口给到驱动，于是，我们在bsp_audio.c文件中来提供这个接口的实现：
9 y5 W, b3 ^7 ^9 z

1. [cpp] view plain copy
   7 ^3 T6 a4 G2 h% e) Z3 |
2. //---------------------for c43l22 port--------------------------//  
   
3. static void I2Cx_Error(uint8_t Addr)  
   
4. {  
   : L; }% W! P3 b; K
5.   /* De-initialize the IOE comunication BUS */  
   5 w/ R1 }" Z8 H. z
6.   HAL_I2C_DeInit(&hi2c1);  
   
7.   
   
8.   /* Re-Initiaize the IOE comunication BUS */  
   ' L/ g+ k0 b5 R8 q7 ]
9.   //I2Cx_Init();  
   
10.   //MX_I2C1_Init();  
    
11. }  
    
12. static void CODEC_Reset(void)  
    / G4 b( \  Y$ h. t
13. {  
    " x# x+ w  Q7 V- E5 b0 B* {- Z
14.     HAL_GPIO_WritePin(AUDIO_RESET_GPIO_Port, AUDIO_RESET_Pin, GPIO_PIN_RESET);  
    
15.     HAL_Delay(5);  
    
16.     HAL_GPIO_WritePin(AUDIO_RESET_GPIO_Port, AUDIO_RESET_Pin, GPIO_PIN_SET);  
    
17.     HAL_Delay(5);  
    5 @+ _+ l- [+ X! i! M; }; @
18. }  
    : a; }3 m* K. m0 H0 ^1 e# @6 i& a% N
19. void AUDIO_IO_Init(void)  
    - Q0 l0 J; }8 X" G* i5 [- j$ X7 E4 b
20. {  
    0 i3 u6 q) z# B7 R  u, [
21.   //I2Cx_Init();  
    - p0 L) b) l: f' H8 V# p7 s: \
22. }  
    
23. void AUDIO_IO_DeInit(void)  
    
24. {  
    ' N8 E  w# C1 l1 t. B, j* X  b
25.   
    
26. }  
    
27. /**
    
28.   * @brief  Writes a single data.
    
29.   * @param  Addr: I2C address
    ) Z' r/ w! R( ^" d7 C
30.   * @param  Reg: Reg address
    
31.   * @param  Value: Data to be written
    
32.   */  
    
33. static void I2Cx_Write(uint8_t Addr, uint8_t Reg, uint8_t Value)  
    / N3 ^+ J7 @# @5 \1 q1 g6 w
34. {  
    
35.   HAL_StatusTypeDef status = HAL_OK;  
    
36.   
    
37.   status = HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1, Addr, (uint16_t)Reg, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, &Value, 1, I2C_TIMEOUT);  
    
38.   
    ; G- S- _' n2 W9 Z  d
39.   /* Check the communication status */  
    9 X! Z( A2 x- ^3 K1 D* D0 S5 U2 ~
40.   if(status != HAL_OK)  
    ( ~, O! O8 g& n/ J0 T# K. k- Q5 k) U( W/ x
41.   {  
    
42.     /* I2C error occured */  
    + q, m7 M/ I, ]
43.     I2Cx_Error(Addr);  
    
44.   }  
    
45. }  
    5 D2 K8 q- |. D9 [6 i0 J$ h$ E/ U  U- v
46. void AUDIO_IO_Write(uint8_t Addr, uint8_t Reg, uint8_t Value)  
    9 C4 b( ~; W8 d% u# {0 Z6 [- d
47. {  
    * r& `9 H4 c  u2 G  \5 w
48.   I2Cx_Write(Addr, Reg, Value);  
    % C% O  ?" {+ B4 y
49. }  
    ! ?) S  H/ B3 e  Z; }6 W8 S9 F, R+ t) s
50.   
    
51. /**
    
52.   * @brief  Reads a single data.
    
53.   * @param  Addr: I2C address
    
54.   * @param  Reg: Reg address
    
55.   * @retval Data to be read
    
56.   */  
    / a* ?  S7 V' |8 S& h/ Z3 [: m
57. static uint8_t I2Cx_Read(uint8_t Addr, uint8_t Reg)  
    
58. {  
    
59.   HAL_StatusTypeDef status = HAL_OK;  
    
60.   uint8_t Value = 0;  
    
61.   
    7 a2 Z8 i5 v- c7 j5 |! v
62.   status = HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1, Addr, Reg, I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, &Value, 1, I2C_TIMEOUT);  
    8 c# w5 W4 D& s' K1 y2 N% ]& G: g% X
63.   
    
64.   /* Check the communication status */  
    + j5 \6 j# [, Y' q/ U
65.   if(status != HAL_OK)  
    
66.   {  
      O" G% @9 a- ~9 I  l( @* d! {
67.     /* Execute user timeout callback */  
    $ ]' X/ m8 d/ g1 T/ B* b
68.     I2Cx_Error(Addr);  
    * E; N6 g& X, R! ~, m; Q
69.   }  
    
70.   
    
71.   return Value;  
    9 p$ o# j# _  P) T6 E/ n# z
72. }  
    
73. uint8_t AUDIO_IO_Read(uint8_t Addr, uint8_t Reg)  
    
74. {  
    
75.   return I2Cx_Read(Addr, Reg);  
    % {$ V1 N( Q% s+ @3 ?9 [" A* l; _& q
76. }  

复制代码

由于在main函数中已经对I2C初始化过了，因此，在AUDIO_IO_Init函数中不需要再次初始化。

就这样，就完成了Codec驱动与与HAL的对接。
' W' {8 h* O& x9 F2 E) G
3.3.2.2 usb audiointerface与codec的对接
我们打开usb audio interface源码文件usbd_audio.if.c文件，此文件由CubeMx自动生成，已经自动给出了一些关于usb audio class的函数，且这些函数体内容都是空白的，毫无疑问，接下来的工作，我们就是要完成这个空白的内容，就好比做填空题一样，当然，在做这些”填空题”的过程中，我们将使用到Codec驱动提供的接口，这一过程，就是usb audiointerface与codec的对接过程。

& T+ [0 P9 Z" x  v: N按照这一清晰思路，我们首先找到usbd_audio_if.c的一个接口：
+ r/ [$ D" K; L5 W% b0 N

1. [cpp] view plain copy
   , B1 E% O2 I. w3 g$ j
2. static int8_t AUDIO_Init_FS(uint32_t  AudioFreq, uint32_t Volume, uint32_t options)  
   + R+ N3 x  c; C$ l+ J+ b4 c
3. {   
   ( Q/ s2 U  @1 R* ]$ Y' G' B+ k
4.   /* USER CODE BEGIN 0 */  
   * x# i0 X6 A, i, n
5.   return (USBD_OK);  
   $ _: L- Z8 y* m# m( t8 M% N
6.   /* USER CODE END 0 */  
   
7. }  

复制代码

这是个空白函数，它是在USB枚举结束并收到set_configuration消息时会被调用到，我们利用他来实现对codec的初始化。在bsp_audio.c文件中，我们添加一个函数，如下：

1. [cpp] view plain copy
   / Z' A5 H- ~/ w
2. static void I2Sx_Init(uint32_t AudioFreq)  
   
3. {  
   + @- O/ B1 l4 W! Y- D
4.   /* Initialize the haudio_i2s Instance parameter */  
   
5.   hi2s3.Instance = SPI3;  
   ; \$ ~- B2 ]* W# [% c
6.   
   
7. /* Disable I2S block */  
   
8.   __HAL_I2S_DISABLE(&hi2s3);  
   6 w* N. }6 |/ X  `1 P
9.   
   3 K1 X$ L: R& [( D5 V
10.   hi2s3.Init.Mode = I2S_MODE_MASTER_TX;  
    
11.   hi2s3.Init.Standard = I2S_STANDARD;  
    . S% k* X; D' r
12.   hi2s3.Init.DataFormat = I2S_DATAFORMAT_16B;  
      a* X5 N+ C5 Z" \* w5 Z* N% w' d- U
13.   hi2s3.Init.AudioFreq = AudioFreq;  
    
14.   hi2s3.Init.CPOL = I2S_CPOL_LOW;  
    ( ^+ O( k7 F' c% D
15.   hi2s3.Init.MCLKOutput = I2S_MCLKOUTPUT_ENABLE;  
    7 o8 g% D' f! w- e# S/ H4 R% ?
16.   
      `6 c" C2 F! E+ H  j( I* z
17.   if(HAL_I2S_GetState(&hi2s3) == HAL_I2S_STATE_RESET)  
    : V4 l) v5 n; M& L# O8 N
18.   {  
    
19.     HAL_I2S_MspInit(&hi2s3);  
    
20.   }  
    
21.   /* Init the I2S */  
    * T( E' O* ]/ X( Q" \: b
22.   HAL_I2S_Init(&hi2s3);  
    
23. }  
    
24. const uint32_t I2SFreq[8] = {8000, 11025, 16000, 22050, 32000, 44100, 48000, 96000};  
    & s2 F, w& z2 \
25. const uint32_t I2SPLLN[8] = {256, 429, 213, 429, 426, 271, 258, 344};  
      w$ E- U! t1 p% ^: X% g- `
26. const uint32_t I2SPLLR[8] = {5, 4, 4, 4, 4, 6, 3, 1};  
    : c# E! y7 ]5 p% g0 R( v
27. uint8_t BSP_AUDIO_OUT_Init(uint16_t OutputDevice, uint8_t Volume, uint32_t AudioFreq)  
    5 d1 P# f) \2 a
28. {  
    # P/ m1 A; @. ?7 G* r+ ~
29.     uint32_t deviceid = 0x00;  
    
30.     uint8_t ret = AUDIO_ERROR;  
    / q  |! \4 Z$ s5 @
31.     uint8_t index = 0, freqindex = 0xFF;  
    # s$ m# L" ~, W! G9 E" h8 {8 v
32.     RCC_PeriphCLKInitTypeDef RCC_ExCLKInitStruct;  
    / `& q& D9 W& T4 P
33.   
    
34.     //get the according P,N value and set into config,this is for audio clock provide  
    
35.     for(index = 0; index < 8; index++)  
    
36.     {  
    
37.         if(I2SFreq[index] == AudioFreq)  
    1 E+ k' L/ w0 I$ Y
38.         {  
    # _5 K' F$ b/ ]! h! K; k4 D1 K
39.             freqindex = index;  
    ! c( G  o  ]5 r8 {2 R+ w! D/ S& M
40.         }  
    
41.     }  
    5 L/ i% F4 j6 S  j- v/ d0 O
42.     HAL_RCCEx_GetPeriphCLKConfig(&RCC_ExCLKInitStruct);  
    
43.     if(freqindex != 0xFF)  
    ) v% j- F3 k' f- c: z
44.     {  
    2 D4 z- |8 x& B
45.         RCC_ExCLKInitStruct.PeriphClockSelection = RCC_PERIPHCLK_I2S;  
    : L' v4 B/ ]1 ~3 X( g0 W. y
46.             RCC_ExCLKInitStruct.PLLI2S.PLLI2SN = I2SPLLN[freqindex];  
    
47.             RCC_ExCLKInitStruct.PLLI2S.PLLI2SR = I2SPLLR[freqindex];  
    
48.             HAL_RCCEx_PeriphCLKConfig(&RCC_ExCLKInitStruct);  
    
49.     }  
    
50.     else  
    
51.     {  
    ) l# A. W6 L5 y: w
52.         RCC_ExCLKInitStruct.PeriphClockSelection = RCC_PERIPHCLK_I2S;  
    
53.             RCC_ExCLKInitStruct.PLLI2S.PLLI2SN = 258;  
    
54.             RCC_ExCLKInitStruct.PLLI2S.PLLI2SR = 3;  
    4 H. i: u/ p& W9 j$ c
55.             HAL_RCCEx_PeriphCLKConfig(&RCC_ExCLKInitStruct);  
      Z7 [& \! m- {$ x# L
56.     }  
    & V. V, H  Y+ C
57.   
    . E0 G+ i, N; g
58.     //reset the Codec register  
    5 C7 k4 G2 ^' y4 A' I' |- c9 E
59.     CODEC_Reset();  
    3 M, [% m8 f' Z2 b& ~) b
60.     deviceid = cs43l22_drv.ReadID(AUDIO_I2C_ADDRESS);  
      @+ U' C! v! r: Z2 w+ _! m" t
61.     if((deviceid & CS43L22_ID_MASK) == CS43L22_ID)  
    
62.       {  
    
63.         /* Initialize the audio driver structure */  
    
64.         audio_drv = &cs43l22_drv;  
    
65.         ret = AUDIO_OK;  
    
66.       }  
    
67.       else  
    
68.       {  
    
69.         ret = AUDIO_ERROR;  
    
70.       }  
      q, Z5 t& }9 p* J4 J; R+ [+ V, @
71.   
      A3 ?% _  z: S9 m
72.      if(ret == AUDIO_OK)  
    
73.       {  
    
74.         audio_drv->Init(AUDIO_I2C_ADDRESS, OutputDevice, Volume, AudioFreq);  
    # I  j: x2 \/ E7 K/ b6 s5 D
75.         /* I2S data transfer preparation:
    & a2 ~* U* f7 \) Y9 o' P# x
76.         Prepare the Media to be used for the audio transfer from memory to I2S peripheral */  
    
77.         /* Configure the I2S peripheral */  
    7 v# J6 L0 Q! N9 z8 b
78.         I2Sx_Init(AudioFreq);  
    4 ^7 p" h# F2 _1 y- `
79.       }  
    $ g# B( ~* ~) K' H& s8 J/ m9 A# I
80.     return AUDIO_OK;  
    
81. }  

复制代码

在BSP_AUDIO_OUT_Init()这个函数内，根据所传入的采样率，程序在预定义的数组内选择出MCU内部时钟树对I2S时钟的一个合理的分频值，并设置进时钟树配置内，然后再对codec进行初始化，最后对I2S外设初始化。

+ q  l, H2 ~: V, a& {这个选择I2S时钟合理分频值的过程是根据STM32F407的参考手册中的建议来做的，如下参考手册中的28.4.4中表126：
/ |. v) S* n6 q6 K6 t. ~
9 m+ p5 Q' C3 m! z
在48K采样率下，假设时钟树下的PLLM VCO=1MHz情况下，且MCK使能，为了尽可能输出靠近期望的时钟，此时应该将时钟树内的PLL2SN设为258，且PLL2SR设为3，I2S内部的预分频因子I2SDIV设为3，以及零散因子I2SODD设为1。这个计算公式为:
$ @4 j+ y1 \: S1 M: o
( ^7 _4 i7 p) z3 r/ q' K也就是(1M*258/3)/[(16*2)*((2*3)+1)]=47991.07142857143,差不多48K。
, u- p* Y- y. g# t% r
PLL2SN，与PLL2SR的设置在上述代码中都有所体现，但是，预分频因子I2SDIV和零散因子I2SODD又是在哪里设置的呢？答案是在代码调用HAL_I2S_Init()时，在这个HAL接口内部会根据I2S的Audio Frequency(CubeMx中的I2S的Configuration中配置的参数)，以及I2S的输入时钟频率和MCK是否使能这些前提条件来自动计算出预分频因子I2SDIV和零散因子I2SODD的值，以此来尽可能匹配输出想要的位时钟，也对应着采样率48K。

搞懂了这些之后，我们马上将其代码进行对接：

1. [cpp] view plain copy
   
2. static int8_t AUDIO_Init_FS(uint32_t  AudioFreq, uint32_t Volume, uint32_t options)  
   
3. {   
   0 H7 ^# \" S4 P/ k7 M8 X
4.   /* USER CODE BEGIN 0 */  
   * r$ S3 f8 I) ^  g
5.   BSP_AUDIO_OUT_Init(OUTPUT_DEVICE_AUTO, Volume, AudioFreq);  
   $ c) o) C7 a: E
6.   return (USBD_OK);  
   : K7 E2 }$ m0 n7 V! I
7.   /* USER CODE END 0 */  
   
8. }  

复制代码

接下来下一个需要对接的接口：
0 d; `# P* p+ ?3 E7 M5 }5 T; ]4 o+ `

1. [cpp] view plain copy
   
2. static int8_t AUDIO_DeInit_FS(uint32_t options)  
   ; O) a0 L( c/ j1 K& v& ^4 d
3. {  
   ; w8 Z" j6 F- r7 j( ^, d3 H
4.   /* USER CODE BEGIN 1 */   
   
5.   BSP_AUDIO_OUT_Stop(CODEC_PDWN_SW);  
   - h/ ?* ?; n- E8 i# @0 v8 w
6.   return (USBD_OK);  
   
7.   /* USER CODE END 1 */  
   , L: j/ a9 x, I  {6 d3 P4 j
8. }  
   4 X- f3 i3 X! R7 l' H
9. 很明显，这个个反初始化的接口，它的具体实现如下：
   
10. 
    
11. [cpp] view plain copy
    
12. uint8_t BSP_AUDIO_OUT_Stop(uint32_t Option)  
    7 O5 K9 E7 B+ f
13. {  
    
14.   /* Call the Media layer stop function */  
    ; |" w" e& g) b: M* w, e# C
15.   HAL_I2S_DMAStop(&hi2s3);  
    
16.   
    
17.   /* Call Audio Codec Stop function */  
    
18.   if(audio_drv->Stop(AUDIO_I2C_ADDRESS, Option) != 0)  
    
19.   {  
    
20.     return AUDIO_ERROR;  
    
21.   }  
    
22.   else  
    
23.   {  
    
24.     if(Option == CODEC_PDWN_HW)  
    " e7 Q( I: Z. x: S- U
25.     {  
    
26.       /* Wait at least 1ms */  
    8 @3 Q  R, p' ]) c) a5 L: k( Y- G1 V
27.       HAL_Delay(1);  
    % k+ T3 U6 r, Q
28.   
    5 K% g& U) O, e1 T3 D4 G, O
29.       /* Reset the pin */  
    
30.       //BSP_IO_WritePin(AUDIO_RESET_PIN, RESET);  
    ' {) L6 l3 t+ ?/ M
31.       HAL_GPIO_WritePin(AUDIO_RESET_GPIO_Port, AUDIO_RESET_Pin, GPIO_PIN_RESET);  
    8 S( r3 R0 G& ~. m
32.     }  
    ' M' `. W; m) S
33.   
    
34.     /* Return AUDIO_OK when all operations are correctly done */  
    7 w' J) h2 U; S, F0 A
35.     return AUDIO_OK;  
    $ z- X4 q+ k$ h6 j% N2 U
36.   }  
    % i% H1 A6 V" a- m* ?& T9 w; n
37. }  

复制代码

先关闭I2S的DMA，在调用Codec的停止接口。
# e( C# c% k: o$ y( \" cOK，下一个：
% m7 t+ A1 K+ q- u4 J& x. N$ y: f  A

1. [cpp] view plain copy
   
2. static int8_t AUDIO_AudioCmd_FS (uint8_t* pbuf, uint32_t size, uint8_t cmd)  
   
3. {  
   
4.   /* USER CODE BEGIN 2 */  
   
5.   switch(cmd)  
   ! u- o  t4 W5 s
6.   {  
   ! g+ s* G; d( W  {. ?* \
7.     case AUDIO_CMD_START:  
   
8.         BSP_AUDIO_OUT_Play((uint16_t *)pbuf, size);  
   
9.     break;  
   
10.   
    6 o! d6 ?2 y4 L& G( H/ ]$ c
11.     case AUDIO_CMD_PLAY:  
    
12.         BSP_AUDIO_OUT_ChangeBuffer((uint16_t *)pbuf, size);  
    
13.     break;  
    
14.   }  
    ( V2 g+ i, ^5 D+ l( Z
15.   return (USBD_OK);  
    1 \; \* ~7 a9 b, s  R
16.   /* USER CODE END 2 */  
    
17.    
    
18. }  

复制代码

第一次USB audio stack接收到USB OUT数据时会回调这个接口并传入AUDIO_CMD_START参数，这里的处理代码是：
2 k: L* Y( K7 S. k7 ?

1. [cpp] view plain copy
     V( s* {/ f1 |0 u+ K2 ~
2. uint8_t BSP_AUDIO_OUT_Play(uint16_t* pBuffer, uint32_t Size)  
   " k' k3 ^' O5 }# Q' O8 E7 c$ L
3. {  
   
4.   /* Call the audio Codec Play function */  
   
5.   if(audio_drv->Play(AUDIO_I2C_ADDRESS, pBuffer, Size) != 0)  
   # y0 d8 j, H7 c/ n( O1 h  n2 V
6.   {  
   . C# X' q/ t0 l! Z2 ?, g
7.     return AUDIO_ERROR;  
   6 v' W. `1 I  l) O% Y
8.   }  
   
9.   else  
   
10.   {  
    
11.     /* Update the Media layer and enable it for play */  
    * W5 ~1 e! ]- w( l8 \0 @" z+ Z
12.     HAL_I2S_Transmit_DMA(&hi2s3, pBuffer, DMA_MAX(Size/AUDIODATA_SIZE));  
    
13.     return AUDIO_OK;  
    
14.   }  
    % U: P/ h* o/ \$ t/ z3 V
15. }  

复制代码

很明显，它是调用Codec驱动处理数据，也就是通过I2S的DMA方式发送给Codec。

然后I2S的DMA会产生传输完成中断和半传输完成中断，在这两个中断处理上，会回调到AUDIO_AudioCmd_FS()接口，并且此时传入的参数变为AUDIO_CMD_PLAY,此时，音频数据的处理函数为:

1. [cpp] view plain copy
   9 o+ ]8 m! W7 D  I8 ~
2. void BSP_AUDIO_OUT_ChangeBuffer(uint16_t *pData, uint16_t Size)  
   : ~% |. c7 g7 g
3. {  
     @) q2 ]* f! ?! b; ^
4.   HAL_I2S_Transmit_DMA(&hi2s3, pData, Size);  
   5 h# ^5 L- o5 r
5. }  

复制代码

也是通过I2S的DMA将数据传输给外部Codec。

1 H- e. ]& v- C" w9 [* i上述过程涉及到另外两个usbd_audio_if接口函数，即I2S的DMA半传输完成和传输完成中断回调,如下所示:

1. [cpp] view plain copy
   # z3 N& h" Z* D. @; r; d
2. void TransferComplete_CallBack_FS(void)  
   
3. {  
   " z3 @0 v4 c3 s+ d9 R
4.   /* USER CODE BEGIN 7 */   
   " V; C! \8 o2 U2 P
5.   USBD_AUDIO_Sync(&hUsbDeviceFS, AUDIO_OFFSET_FULL);  
   
6.   /* USER CODE END 7 */  
   # w3 w, z: l$ H* v7 T
7. }  
   
8. void HalfTransfer_CallBack_FS(void)  
   
9. {   
   + A. o$ @+ z/ y( n4 N- f5 @
10.   /* USER CODE BEGIN 8 */   
    
11.   USBD_AUDIO_Sync(&hUsbDeviceFS, AUDIO_OFFSET_HALF);  
    / d7 V2 ?  @! N) n) b) ]8 ?
12.   /* USER CODE END 8 */  
    5 L+ X) m# c! N( }. q- v# w% H3 f
13. }  

复制代码

此代码为CubeMx自动生成，且在自动生成的代码中就已经调用了usb audio class函数USBD_AUDIO_Sync()，在这里，对于这个，我们是不需要添加任何额外代码的。之前我们说过，在USBD_AUDIO_Sync()函数内部，会实现对AUDIO_AudioCmd_FS()的回调，目的是，需要及时将数据缓冲中另一半准备好的数据也通过I2S的DMA传输给外部Codec，这个不间断的传输，才能实现音频播放的连贯性。
2 P0 L- Z1 E& N1 I
此外，在USB设备端，后续接收到的音频数据会紧接着之前的数据进行存放，这里实现了一个数据环形缓冲区，来实现了USB接收端与I2S输出端数据有效的缓存。
0 ?0 x4 ^5 C9 f4 {  T' j
接下来看下一个usbd_audio_if接口函数对接：

1. [cpp] view plain copy
   ' g+ j, `# v/ m7 h* }6 B! L+ l
2. static int8_t AUDIO_VolumeCtl_FS (uint8_t vol)  
   ' X- R1 d5 C) I( M. w/ N- M
3. {  
   
4.   /* USER CODE BEGIN 3 */   
   . n3 R8 N5 u2 ?/ V2 Y4 A0 u# h: \
5.   BSP_AUDIO_OUT_SetVolume(vol);  
   
6.   return (USBD_OK);  
   * S3 e% v3 M" y0 w0 f. K
7.   /* USER CODE END 3 */  
   ' V5 L4 ]% P( g/ \
8. }  

复制代码

很明显，这个是音量控制接口，也对接下:
# g( }  b. T- @! ?0 s/ b+ ^

1. [cpp] view plain copy
   " ?% w+ t* F2 D6 R% m
2. uint8_t BSP_AUDIO_OUT_SetVolume(uint8_t Volume)  
   
3. {  
   $ K0 Z7 [1 K! ]- _. v
4.   /* Call the codec volume control function with converted volume value */  
   & t# {9 F$ C; I" [# U) Z
5.   if(audio_drv->SetVolume(AUDIO_I2C_ADDRESS, Volume) != 0)  
   
6.   {  
   . S- j1 c: p9 j1 b! \7 M) M5 s! ^
7.     return AUDIO_ERROR;  
   
8.   }  
   
9.   else  
   
10.   {  
    
11.     /* Return AUDIO_OK when all operations are correctly done */  
    
12.     return AUDIO_OK;  
    2 a/ y9 d1 }. N9 e7 T8 t# h; J
13.   }  
    2 C6 ], {# j6 R# ?3 `* h
14. }  

复制代码

直接调用Codec启动的相应接口。需要注意地是，实际上，在PC端进行音量的调节，并不会向USB端发送相应的音量调节指令，这里只是象征性的对接下，实际上在USB AUDIO中代码并不会允许到这里，音量的放大和变小直接体现在音频数据本身内。
: N4 n8 u2 ^# L7 a
下一个:
: E0 B/ P+ _0 G

1. [cpp] view plain copy
   ; H6 R3 t. X( `5 S4 h: I
2. static int8_t AUDIO_MuteCtl_FS (uint8_t cmd)  
   
3. {  
   7 P5 n: V- @. R4 a$ Q
4.   /* USER CODE BEGIN 4 */   
   
5.   BSP_AUDIO_OUT_SetMute(cmd);  
   4 r& }+ U6 \9 h+ p
6.   return (USBD_OK);  
   4 F) O" w/ N" }  }
7.   /* USER CODE END 4 */  
   2 B: d, h' \& G- ~
8. }  

复制代码

静音控制，其实现为：

1. [cpp] view plain copy
   
2. uint8_t BSP_AUDIO_OUT_SetMute(uint32_t Cmd)  
   
3. {  
   ) o! d" N# l7 h; ?
4.   /* Call the Codec Mute function */  
   
5.   if(audio_drv->SetMute(AUDIO_I2C_ADDRESS, Cmd) != 0)  
   
6.   {  
   
7.     return AUDIO_ERROR;  
   6 \* _+ F3 m6 `9 k8 ^8 H/ g
8.   }  
   
9.   else  
   * A4 m' }6 c4 B3 c* A! T5 M; V
10.   {  
    
11.     /* Return AUDIO_OK when all operations are correctly done */  
    
12.     return AUDIO_OK;  
    " p3 b& l; j8 m& O) T. w+ N
13.   }  
    & n5 i' V6 S3 S, i- W/ ^* M
14. }  
    

复制代码

很简单，直接调用codec驱动的静音接口。静音接口与音量控制不同，在PC端进行静音操作会发送相应的mute指令，进而运行到这里。

OK，就这样，usbd_audio_if模块的接口基本上对接到这样就可以了。

4    测试验证
" h7 {3 y  |$ j8 B# V) T7 U9 V. \+ @将代码编译后烧录进STM32F4DISCVOERY板进行验证。
/ I2 a9 f/ X' @2 `1 ]
最终验证是OK的，可以从耳机上听到PC端播放的音乐。
. K& d6 I! Z3 x7 k2 B5 K5 p
5    结束语
在CubeMx上对中间件USB配置时，将USB audio class的音频采样率设置为48K,那个这个参数会再USB枚举期间会传递给windows的audio驱动，在枚举通过后，后续通过USB传输的音频数据都将是固定以48K采样率来的，也就是192bytes/ms，也就是说，不管PC端播放什么音乐，windows的audio驱动都会固定以48K采样率向USB端口进行传输。这种特性是由windows的audio驱动决定的。

' ], Q* B# ~3 e5 J8 Y' C" l" qI2S外设向codec传输的时钟是可以改变的，在本应用中是用不着改变，这个是因为USB端固定以48K采样率接收数据，那么I2S也可以固定以48K采样率所对应的速度向Codec传输速度，这个特点，正式因为USB audio的固定传输特性所决定的。若换成播放本地U盘音频文件或连接iPhone并播放iPhone的音乐时，则I2S外设的时钟是根据每次播放的具体音乐所对应的采样率来配置I2S的时钟的，这种机制稍微有所不同，这里只需注意下，理解了就可以了。

7 ~; d; z1 }& W' H在本例中，从I2S传输数据的速率是48K的采样率，但实际精度却是47991.07142857143。这个与标准的48K还是有所偏差的，实际上，无论USB端和I2S端的传输速度在理论上有多匹配，在实际上，多少都会存在些偏差，这也就意味着，在USB与I2S这两个”入口”与”出口”之间的缓存，在随着时间流逝，如不进行任何处理，这个缓存理论上一定会爆掉或掏空。那么这里就需要针对这个缓存这种现象的一种处理，或者叫做算法，算法的好坏在一定程度上决定了音质的好坏。而本例中，我们使用的是CubeMx生成的默认的最简单的算法，我们不做深入讨论，只是让大家有这么一个概念即可。


+ a, b( g- H7 Z8 b  Q8 E' w" O
/ `' q8 b+ G: Y

楼主问下，你这个会有杂音吗？我这边测试了下，会有杂音的，如果根据接受AUDIO_TOTAL_BUF_SIZE大小去传输，usb中断影响HAL_I2S_Transmit_DMA(&hi2s1, (uint16_t *)pbuf, (size))传输结果，显示为hal_busy,忙等待，传输数据这块你有做特殊处理吗？
( J& S' G+ E, S5 _' I2 h9 z; Gstatic uint8_t  USBD_AUDIO_DataOut (USBD_HandleTypeDef *pdev,
                              uint8_t epnum)
/ ^  `: i7 A* P8 ^: T{
  USBD_AUDIO_HandleTypeDef   *haudio;
  haudio = (USBD_AUDIO_HandleTypeDef*) pdev->pClassData;
  D# q) ^! a0 s# Z# ]
  if (epnum == AUDIO_OUT_EP)
  {
    /* Increment the Buffer pointer or roll it back when all buffers are full */
, x+ S* C/ O1 e2 t! z
    haudio->wr_ptr += AUDIO_OUT_PACKET;

    if (haudio->wr_ptr == AUDIO_TOTAL_BUF_SIZE)
    {
+ X8 }+ F2 R! o/ h% H$ p5 \      /* All buffers are full: roll back */
      haudio->wr_ptr = 0U;
" k) |* {8 S, r7 W    ((USBD_AUDIO_ItfTypeDef *)pdev->pUserData)->AudioCmd(&haudio->buffer[0],
                                                 AUDIO_TOTAL_BUF_SIZE / 2U,
                                                 AUDIO_CMD_PLAY);
#if 0
      if(haudio->offset == AUDIO_OFFSET_UNKNOWN)
      {
        ((USBD_AUDIO_ItfTypeDef *)pdev->pUserData)->AudioCmd(&haudio->buffer[0],
3 p; G% ]" z! y  s- ?# k0 k1 k5 f                                                             AUDIO_TOTAL_BUF_SIZE / 2U,
                                                             AUDIO_CMD_START);
          haudio->offset = AUDIO_OFFSET_NONE;
      }
2 B+ ?) A! u+ A0 b#endif
    }

    if(haudio->rd_enable == 0U)
    {
      if (haudio->wr_ptr == (AUDIO_TOTAL_BUF_SIZE / 2U))
      {
        haudio->rd_enable = 1U;
      }
  G; e# ]1 C! ?; x. l& v    }
  \/ k4 `& y- b% i& X- k5 [
' l+ D- K; i3 ^; P4 b    /* Prepare Out endpoint to receive next audio packet */
0 C* v+ s# M  y3 ^2 b    USBD_LL_PrepareReceive(pdev, AUDIO_OUT_EP, &haudio->buffer[haudio->wr_ptr],
                           AUDIO_OUT_PACKET);
  }

楼主还在吗？
我参考了您的这篇文章，在 STM32F413 discovery 板子上试验 USB Audio，
我先用 STM32CubeMX 5.2.1 生成代码框架，然后再把 STM32CubeF4 V1.24.1 里面的 stm32f413h_discovery.c, stm32f413h_discovery_audio.c, wm8994.c 这几个源文件添加到工程里，用的 toolchain 是 IAR 8.30。
现在的问题是，如果在 usbd_audio_if.c 里面函数 AUDIO_Init_FS 里面什么都不调那么能成功地枚举出 "STM32 Audio Class" 设备，
但是只要 AUDIO_Init_FS 里面调了 BSP_AUDIO_OUT_Init 就会枚举失败，显示“未知 USB 设备”，跟踪 BSP_AUDIO_OUT_Init 的执行过程没发现问题，
而且这个函数返回值也是OK，但是紧接着 AUDIO_DeInit_FS 就被调了，也跟踪了 USB 中断和 DMA 中断都有，查了好几天查不出原因，时钟配置好像也没问题，楼主您能指点一下吗？多谢！

梦中的飞鸿 发表于 2019-9-11 09:20
* [. }$ D3 V: V! }. t/ ]- N这个问题您解决了吗，我这也遇到了这个问题，有个小感叹号，然后提示

0 C1 V* v6 {7 T7 D; t该设备无法启动。 (代码 10)

% h, c/ c: ]& k+ {* X出现这种情况要保证描述符是不是正确的，如果描述符正确在看看内存是否溢出，如果都正确，那就要一步步找问题了，就是把个单片机外设相关的代码想注释掉，基本上就找到原因了。

非常好的帖子，谢谢分享！！！

anny 发表于 2018-5-23 14:45
非常好的帖子，谢谢分享！！！

希望能有帮助

anny 发表于 2018-5-23 14:45
0 a& R1 |3 h+ F* w非常好的帖子，谢谢分享！！！

希望能有帮助

非常好的帖子，楼主可以发一份工程的代码吗？非常感谢，18056453597@qq.com

666，好贴，顶起来~

收藏

9 o1 e$ w! o. _  H% {  F! j非常好的帖子，谢谢分享！！！

好贴！

楼主，我想问下，stm32 Audio Class的PC端不需要驱动吗？我的提示能够正确识别设备，但是安装驱动失败！

delei 发表于 2019-8-12 11:18
$ L5 t6 m5 a5 ~+ g) t1 c楼主，我想问下，stm32 Audio Class的PC端不需要驱动吗？我的提示能够正确识别设备，但是安装驱动失败！

...

这个问题您解决了吗，我这也遇到了这个问题，有个小感叹号，然后提示

该设备无法启动。 (代码 10)
" B7 r; y) c$ U
4 l! H# |( Y2 G. X, wI/O 请求已取消。
  Z, B- k+ I' h6 W# w1 r

梦中的飞鸿 发表于 2019-9-11 09:20
这个问题您解决了吗，我这也遇到了这个问题，有个小感叹号，然后提示

该设备无法启动。 (代码 10)

: a& j" m! w: B& K1 Z1 H* `" A1 d经测，不要用最新的库版本，用1.21.0的测试直接生成，正常识别！